(57)【要約】【課題】  色分離の性能を改善した投射型映像表示装置を提供する。【解決手段】  投射型映像表示装置において、色分離ユニットは、光源からの光を透過する開口部を設けた入射板と、インテグレータを有し、インテグレータの出射側に、インテグレータの出射面に略平行となるように色分離面が配置され、所定の波長域の色光のみを透過し、他の波長域の色光を反射する複数のダイクロイックミラーを有する。【選択図】  図１
2007025308.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視光束を出射する白色光源と、
前記可視光束を入射し複数の色光として出射する色分離ユニットと、
前記複数の色光が照射され、照射される色光の色に対応する色の映像信号に応じて前記色光を変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子上での前記複数の色光の照射場所を一定方向に移動させる走査ユニットと、
前記映像表示素子が変調した複数の色光をカラー映像として投射する投射レンズを有し、
前記色分離ユニットは、
前記可視光束を均一化するオプティカルインテグレータであって、前記可視光束が透過する入射口が形成された入射開口板と、均一化された可視光束を出射する第一の出射面を有するオプティカルインテグレータと、
均一化された可視光束の中で所定の色光を透過しそれ以外の波長域の色光を反射する複数の色分離面であって、前記第一の出射面と略平行に配置される複数の色分離面を有するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーに入射する均一化された可視光束または前記ダイクロイックミラーが出射する複数の色光を所定の偏光光とする偏光変換素子を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の投射型映像表示装置であって、
前記オプティカルインテグレータは、
前記入射開口板内側の入射口以外の領域が全反射面であることを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項３】
請求項１又は２いずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記偏光変換素子は、
前記オプティカルインテグレータに隣接する偏光分離プリズムであって、前記ダイクロイックミラーに前記所定の偏光光を出射する第二の出射面と他方の偏光光を出射する第三の出射面を有する偏光プリズムと、
前記第三の出射面から前記他方の偏光光を入射し、前記第二の出射面から出射される所定の偏光光の出射方向に他方の偏光光の方向を変更する方向変換子と、
前記所定の偏光光または前記他方の偏光光いずれか一方の偏光を変換する１／２波長板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか一に記載の投射型映像表示装置であって、
前記ダイクロイックミラーは、第１、第２、第３の色分離面を有し、
前記第１の色分離面と一部の前記第２の色分離面が前記第二の出射面から出射された色光を入射することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項５】
請求項３に記載の投射型映像表示装置であって、
前記偏光分離プリズムは、前記第一の出射面全面に接する入射面を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記光分離ユニットは、
前記オプティカルインテグレータの前記全反射面に配設される1/4波長板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一に記載の投射型映像表示装置において、
前記走査ユニットは、複数の色光を反射する反射面を複数有する回転多面体であって、
さらに前記光分離ユニットから出射され前記走査ユニットに照射される複数の色光と、前記走査ユニットが反射した複数の色光のいずれか一方を透過し、他方を反射する偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項８】
可視光束を出射する白色光源と、
前記可視光束を入射する色分離ユニットであって、
前記可視光束が透過する入射口が形成された入射面と均一化した可視光束を出射する第一の出射面を有するオプティカルインテグレータと、
均一化された可視光束の中で所定の色光を透過しそれ以外の波長域の色光を反射する複数の色分離面であって、前記第一の出射面と略平行に配置される複数の色分離面を有するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーに入射する均一化された可視光束または前記ダイクロイックミラーが出射する複数の色光を所定の偏光光とする偏光変換素子を有する色分離ユニットと、
前記複数の色光が照射され、照射される色光の色に対応する色の映像信号に応じて前記色光を変調する映像表示素子と、
前記映像表示素子上での前記複数の色光の照射場所を一定方向に移動させる走査ユニットと、
前記映像表示素子が変調した複数の色光をカラー映像として投射する投射レンズを有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項９】
白色光源と、
前記白色光源の出射光から映像信号に応じた光学像を形成する映像表示素子と、
前記白色光源から放射される可視光束を複数の色光に分離する色分離ユニットと、
前記色分離ユニットの出射面から出射された各複数色の光を該映像表示素子上で移動させる走査ユニットと、
前記色分離ユニットにより分離した複数の色光を該走査手段の近傍に写像する第１の写像光学系と、
前記走査ユニットにより走査された複数の色光を該映像表示素子に写像する第２の写像光学系と、
前記映像表示素子から出射された光をカラー映像として投射する投射装置を備えた投射型映像表示装置において、
前記色分離ユニットは、
前記白色光源の出射光を入射する入射口が形成され、前記色分離ユニットの出射側の前記入射口以外の領域に全反射面を有する入射開口板と、
前記全反射面に重ねて配置される１／４波長板と、
前記入射光から入射された光を均一化して出射するオプティカルインテグレータと、
前記オプティカルインテグレータの出射光のうち、第１の偏光光を反射し、第２の偏光光を透過する第１の偏光分離プリズムと、
前記第１の偏光光を入射し、前記第１の偏光光の出射方向に前記第２の偏光光を出射する方向変換子と、
均一化された可視光束の中で所定の色光を透過しそれ以外の波長域の色光を反射する複数の色分離面であって、前記第一の出射面と略平行に配置される複数の色分離面を有するダイクロイックミラーと、
前記方向変換子の出射面に対向する１／２波長板を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
【請求項１０】
単板式投射型映像表示装置に使用される色分離ユニットであって、
前記可視光束を均一化するオプティカルインテグレータであって、前記可視光束が透過する入射口が形成された入射開口板と、均一化された可視光束を出射する第一の出射面を有するオプティカルインテグレータと、
均一化された可視光束の中で所定の色光を透過しそれ以外の波長域の色光を反射する複数の色分離面であって、前記第一の出射面と略平行に配置される複数の色分離面を有するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーに入射する均一化された可視光束または前記ダイクロイックミラーが出射する複数の色光を所定の偏光光とする偏光変換素子を有することを特徴とする色分離ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子を使用して、スクリーン上に映像を投影する投射装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等の光学ユニット、投射型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、白色光源からの光をインテグレータ手段、偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter：以下、ＰＢＳ）、コリメータレンズを通過させた後、複数のダイクロイックミラーを使用して短冊状（帯状）のＲ光、Ｂ光及びＧ光（以下、カラーバー）に分離し、分離された各色光をそれぞれ回転多面体を用いて光路を変えて、ライトバルブのそれぞれ異なった場所に同時に照射し、かつ、各色光の短冊状の照射領域の場所を順次ライトバルブ上で一定方向に移動（「走査」または「スクロ−ル」ともいう）させるようにした単板式の投射型表示装置が知られている。この種の技術は、例えば特開２００４−１７０５４９号公報や米国特許公開2003/095213号公報に記載されている。
【０００３】
このような走査式（スクロール式）の投射型表示装置では、ライトバルブ上に形成された各色光に対応した３つの短冊状の照明領域の場所が回転多面体によってスクロールされる。例えば、米国特許公開2003/095213号公報に開示されている投射型表示装置では、その図１に示されるように、ダイクロイックプリズムで構成された色分離器を用いて短冊状の３つ色光を隣接して形成し、１つのレンズアレイホイールを回転駆動することで同時にスクロールを行っている。また、特開２００４−１７０５４９号公報に開示されている走査式の投射型表示装置では、その図１、図３に示されるように、色分離した３色光のそれぞれの光路に配置した回転多面体によって各色光を個々にスクロールしている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許公開2003/095213号公報
【特許文献２】特開２００４−１７０５４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
米国特許公開2003/095213号公報の技術では、レンズアレイホイールを構成する個々のレンズの大きさが液晶表示素子に匹敵する大きさなので、レンズアレイホイールの目方が重くなり、投射型表示装置をコンパクトにするために、レンズアレイホイールを仮に半分の大きさとすると、角速度を２倍にする必要があり、回転駆動が難しくなる。
【０００６】
また、米国特許公開2003/095213号公報に開示されている技術では、楕円鏡で反射された光源からの光を均一化するためのロッドプリズムの光軸に対し、色分離器の色分離面は照明光学系の光軸に対して斜め配置になっている。この配置により、入射角度が４５度から大きくずれた光線角度のものが含まれることになり、色分離面の光束全体に対する総合的な波長分離特性が劣化してしまうという問題があった。
【０００７】
一般的に、照明光学系において、有効に扱うことができる光束が存在する空間的な広がりを、面積と立体角との積（エテンデュー：Geometrical Extent）として表すことができる。そして、この面積と立体角との積は、光学系において保存される。ここで、光源からロッドプリズムに入射する光束について考える。ロッドプリズムに入射する略白色の光束は、楕円鏡の第２焦点位置近傍に配置されているロッドプリズムの入射面に集光されており、入射光束の集光面積が小さいので、該入射光束の立体角は大きくなる。つまり光軸に対する入射光線の角度が大きくなる。この入射光線の角度はロッドプリズム内でほぼ保存される。従って、ロッドプリズムから色分離器に出射する光束には、色分離器を構成する各ダイクロイックプリズムの色分離面に対して入射角度が４５度から大きくずれた光線角度のものが含まれることになる。
【０００８】
図５に、カラープリズムの色分離面と光束を模式的に示す。図５（１）紙面左に示すように、光軸となす入射光束の角度θの範囲が大きくなると、すなわち色分離面（ダイクロイックミラー面）への光束の入射角度が４５度より大きくずれると、図５（２）に示すように、色分離面の光束全体に対する総合的な波長分離特性が劣化する。ここで波長特性の劣化とは、透過率が５０％となる半値波長前後での、波長に対する透過率の変化を急峻にできないということである。例えば、青色と緑色で考えると、指定波長で青色と緑色を分離できなくなり、青色の一部が緑色に混色し、逆に、緑色の一部が青色に混色する問題が発生する。
【０００９】
さらに、米国特許公開2003/095213号公報に開示されている色分離器は、偏光をそろえることについては、考慮していない。
【００１０】
特開２００４−１７０５４９号公報に開示されている技術でも、色分離手段としてダイクロイックミラーを使用し、光軸に対して４５度に配置している。その図１で示されるように、光量分布の一様化を行うインテグレータ手段としてレンズアレイを用いているので、ダイクロイックミラーに入射する光束の面積が大きく、先に説明したエテンデューで立体角が小さくなる。従って、ダイクロイックミラーへの光束の入射角度の範囲が小さいので、波長分離特性の劣化がほとんどない。従って、特開２００４−１７０５４９号公報の技術では、光軸に対して４５度に配置したダイクロイックミラーにおける波長分離特性の劣化の問題はない。しかしながら、回転多面体を複数配置した場合、回転多面体の大きさで投射型映像表示装置が大きくなってしまうという問題があるだけでなく、通常のレンズアレイを用いることで、光束が大きくなり、回転多面体を光束にあわせて大きくする必要が生じ、装置全体が大きくなってしまうという問題がある。さらには、３つの短冊状の照明領域の相対的な位置がずれると複数の色光が同時に照射される領域、或いは、逆に、どの色光も照射されない領域が存在してしまうので複数の回転多面体の高精度な制御が必要となる。
【００１１】
または、本発明は偏光変換素子を有する色分離ユニットにおいて、光の利用効率を向上させることを目的とする。
【００１２】
または、本発明は、投射型映像表示装置または色分離ユニットにおいて、色分離特性改善し、混色を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、投射型映像表示装置において、色分離ユニットは、光源からの光を透過する開口部を設けた入射板と、インテグレータを有し、インテグレータの出射側に、インテグレータの出射面に略平行となるように色分離面が配置され、所定の波長域の色光のみを透過し、他の波長域の色光を反射する複数の色分離面を有するダイクロイックミラーを有する。
【発明の効果】
【００１４】
色分離ユニットまたは投射型映像表示装置において、色分離性能を向上させることが可能となる。色分離ユニットまたは投射型映像表示装置において、混色を減少させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の最良の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。
【００１６】
以下、図１から図３を用いて、第１の実施例による色分離ユニットと、該色分離ユニットを備え、１個の回転多面体を用いた投射型映像表示装置について説明する。
【００１７】
図１は本実施例の要部である色分離ユニットの概略構成図、図２は本実施例に係わる投射型映像表示装置の概略構成図、図３は色分離面への入射角度による色分離特性の違いを説明する図である。
【００１８】
先ず、図１、図２を用いて、本実施例による走査式投射型映像表示装置の構成について説明する。
【００１９】
図２において、光源１１とリフレクタ１２（この図では楕円リフレクタ）からなる光源ユニット１から出射した略白色の光束は、リフレクタ１２の第２焦点位置近傍に配置されている色分離ユニット２ａの入射面に集光し入射する。
【００２０】
色分離ユニット２ａは、図１に示すように、入射側から順に、光学的な入射開口２２１を有する入射開口２２１以外の内面領域に全反射面２２２を備えた入射開口板２２と、１／４波長板２３と、光量分布の一様化を行うインテグレータ素子であるライトパイプ２４と、ライトパイプ２４からの光束の偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換素子２１と、偏光変換素子２１からの光をＹ軸方向（図２紙面に垂直な方向）に配列された３つの短冊状の異なる色光（例えばＲ光、Ｇ光、Ｂ光）のカラーバーに分離する色分離素子であるダイクロイックミラー２６を有する。
【００２１】
偏光変換素子２１は、P偏光光を透過しS偏光光を反射させる第１偏光プリズム２１１と、S偏光光を反射させる第２偏光プリズム２１２を含む。さらに、図１の色分離ユニット２ａにおいては、ライトパイプ２４の出射面と、第１偏光プリズム２１１の入射面は略同一の面積を有している。または、ライトパイプ２４の出射面から出射される光はまず、第１の偏光プリズム２１１にまず入射する。
【００２２】
光源ユニット１から入射開口板２２の光学的な入射開口２２１に入射した略白色の自然光である光束は、１／４波長板２３を通過するが、自然光の場合は通過した後でも自然光のままである。１／４波長板２３を通過した光束は、ライトパイプ２４の側面で反射を繰り返すことで光量分布の一様化がなされる。そして、ライトパイプ２４で一様化された光束は偏光変換素子２１に入射し、その偏光状態が所定偏光状態（ここではＰ偏光）に揃えられる。
【００２３】
偏光変換素子２１は、Ｙ軸方向に配列された第１偏光分離プリズム２１１および第２偏光分離プリズム２１２と、１／２波長板２１３からなる。第１偏光分離プリズム２１１はライトパイプ２４からの光束が入射する側に配置され、第２偏光分離プリズム２１２は第１偏光分離プリズム２１１のＹ軸の負方向側（図１紙面では下側）に配置されている。１／２波長板２１３は、第２偏光分離プリズム２１２ａの出射側にダイクロイックミラー２６を介して設けられている。
【００２４】
ライトパイプ２４から偏光変換素子２１に入射した光束は、そのうちのＰ偏光の光束は第１偏光分離プリズム２１１を透過し、そのうちのＳ偏光の光束は第１偏光分離プリズム２１１で反射して、偏光分離する。反射したＳ偏光は第２偏光分離プリズム２１２で再び反射し、進行方向を先に分離したＰ偏光方向（Ｚ軸方向）に変え、１／２波長板２１３を通過する。１／２波長板２１３を通過することで、Ｓ偏光はＰ偏光に変換されるので、全ての光がＰ偏光に変換される。なお、ここで言うＰ偏光は、ＹＺ平面内に法線を有する偏光分離面で分離されたＰ偏光であり、図２のＸＺ平面に法線を有する第１ＰＢＳ５１や第２ＰＢＳ５２の偏光分離面にとってはＳ偏光となる。なお、ダイクロイックミラー２６による色分離と光のリサイクル（反射光の再利用）の詳細については、図１を用いて後述する。
【００２５】
分離された３つの色光（偏光状態はＳ偏光）のカラーバーは、縮小光学系３１、光路折り曲げミラー３２を介して、更にＳ偏光を透過する偏光板８１でＳ偏光状態の純度が改善されて、第１ＰＢＳ５１に入射する。第１ＰＢＳ５１に入射したＳ偏光の光束（カラーバー）は、偏光分離面で反射し、回転多面体４に向かう。第１ＰＢＳ５１を出射したＳ偏光の光束は、１／４波長板８２を通過することで、円偏光に変換され、縮小光学系３３を介して回転多面体４に入射する。その過程で、カラープリズム２５の出射面Ｓ２５に形成された３つの色光のカラーバーは、回転多面体４の手前の空間に縮小光学系３１、３３によって写像され、空間像（図示せず）が形成される。
【００２６】
この空間像は、回転多面体４の表面の反射面４１で反射し、光路を折り返す。１／４波長板８２を再び通過することで、円偏光はＰ偏光に変換されるので、今度は、第１ＰＢＳ５１を透過する。第１ＰＢＳ５１を透過した光束は、１／２波長板８３によりＳ偏光に変換される。そして、第２ＰＢＳ５２に入射したＳ偏光の光束は、偏光分離面で反射し、映像表示素子６に入射する。この過程で、回転多面体４の手前の空間に形成された空間像は、回転多面体４の反射面４１で鏡面像（図示せず）が形成され、該鏡面像が拡大光学系３３（ここでは光線方向が逆となるので拡大光学系として機能する）で拡大されて映像表示素子６上に写像される。回転多面体４が回転することで鏡面像が移動し、映像表示素子上で分離した３つのカラーバーが移動（走査）する。
【００２７】
なお、ここで縮小光学系と拡大光学系と説明したが、拡大光学系と縮小光学系の組合せでも写像関係上は問題ないが、縮小光学系と拡大光学系の組合せとすることで、回転多面体４の反射面４１の近傍にできる空間像を小さくできるので、その結果、回転多面体４を小さくできる利点がある。
【００２８】
映像表示素子６の各画素で反射する光線は、各画素に対する電圧がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換され、今度は、第２ＰＢＳ５２を透過し投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素に対する電圧がＯＦＦの場合は、偏光状態がＳ偏光となり、再び、第２ＰＢＳ５２の偏光面で反射し、光束はスクリーン等に拡大投射されない。なお、８４はＰ偏光を透過させる偏光板である。
【００２９】
ここで、本実施の形態での走査ユニットである回転多面体４による走査作用の概要について以下説明する。反射面４１の手前に、物体（空間像）を置くと、反射面４１から物体までの距離と同じ距離で反射面４１の裏側に鏡面像（図示せず）が形成される。ところで、反射面４１は回転多面体４の表面に配置しているので、回転多面体４の回転によって反射面４１の角度が変化する。例えば、反射面４１がθ回転すると、反射光はその倍で２θ変化する。このとき、反射光は鏡面像の異なる位置から、あたかも出射した光線に重なる。従って、反射面４１の角度を連続して変えれば、鏡面像の異なる位置から連続した光線が出射することとなる。即ち、反射面４１の角度を変えることで、光の走査（スクロール）が実現できる。
【００３０】
次に、図１を用いてダイクロイックミラー２６による色分離作用について説明する。ダイクロイックミラー２６は、複数のダイクロイックミラーで構成してもよいし、または、複数種類の分離面を有する１つのダイクロイックミラーで構成してもよい。本実施の形態では、複数種類のダイクロイックミラーで構成するものとして説明する。すなわち、ダイクロイックミラー２６は、赤色光（Ｒ光）のみを透過しその他の色光を反射する赤色ダイクロイックミラー２６１と、青色光（Ｂ光）のみを透過しその他の色光を反射する青色ダイクロイックミラー２６２と、緑色光（Ｇ光）のみを透過しその他の色光を反射する緑色ダイクロイックミラー２６３を有する。ダイクロイックミラー２６は、第１偏光分離プリズム２１１、第２偏光分離プリズム２１２の出射面Ｓ２１に配設され、該出射面Ｓ２１をＹ軸方向で略３分割した中央領域に青色ダイクロイックミラー２６２が配置され、その第１偏光分離プリズム２１１の端側領域（図１紙面で青色ダイクロイックミラー２６２の上側）に赤色ダイクロイックミラー２６１が、その第２偏光分離プリズム２１２の端側領域（図１紙面で青色ダイクロイックミラー２６２の下側）に緑色ダイクロイックミラー２６３が配置されている。
【００３１】
ライトパイプ２４を通過し偏光変換素子２１に入射した白色光のうち、Ｐ偏光の光束は、第１偏光分離プリズム２１１を透過する。第１偏光分離プリズム２１１の出射面に配設された赤色ダイクロイックミラー２６１に到達したＰ偏光の赤色光と、青色ダイクロイックミラー２６２に到達したＰ偏光の青色光は、それぞれ赤色ダイクロイックミラー２６１と青色ダイクイックミラー２６２を透過する。一方、Ｐ偏光の光のうち、緑色光と、青色ダイクロイックミラー２６２に到達した赤色光と、赤色ダイクロイックミラー２６１に到達した青色光は、それぞれダイクロイックミラー２６で反射する。反射光は第１偏光分離プリズム２１１を再び透過し、ライトパイプ２４を経て１／４波長板２３を透過し、入射開口板２２の全反射面２２２で再び反射する。そして再度、１／４波長板２３を透過することで、先のＰ偏光はＳ偏光に変換され、ライトパイプ２４を経て偏光変換素子２１に入射する。
【００３２】
偏光変換素子２１に入射したＳ偏光の光束は、まず、第１偏光分離プリズム２１１と第２偏光分離プリズム２１２で反射する。さらに、青色ダイクロイックミラー２６２に到達したＳ偏光の青色光と、緑色ダイクロイックミラー２６３に到達したＳ偏光の緑色光は、それぞれ青色ダイクロイックミラー２６２と緑色ダイクイックミラー２６３を透過する。Ｓ偏光の赤色光と、青色ダイクロイックミラー２６２に到達した緑色光と、緑色ダイクロイックミラー２６３に到達したの青色光は、それぞれダイクロイックミラー２６で反射する。反射光は第２偏光分離プリズム２１２と第１偏光分離プリズム２１１で再び反射し、ライトパイプ２４を経て１／４波長板２３を透過し、入射開口板２２の全反射面２２２でさらに、反射する。そして再度、１／４波長板２３を透過することで、先のＳ偏光はＰ偏光に変換される。
【００３３】
このように、ダイクロイックミラー２６を透過しなかった各色光は、ダイクロイックミラー２６と入射開口板２２との間で反射を繰り返し、この過程で１／４波長板２３を往復すことにより、偏光状態がＰ偏光とＳ偏光とで入替わり、先に説明したＰ偏光、Ｓ偏光に対する色分離作用が繰り返される。つまり、第１偏光分離プリズム２１１の出射面に配設されたダイクロイックミラー領域（赤色ダイクロイックミラー２６１と青色ダイクロイックミラー２６２の一部で形成された領域）２６４で反射されたＰ偏光の色光は、次にはＳ偏光の色光となり、第２偏光分離プリズム２１２の出射面に配設されたダイクロイックミラー領域（青色ダイクロイックミラー２６２の一部と緑色ダイクロイックミラー２６３とで形成された領域）２６５に入射する。また、逆にダイクロイックミラー領域２６５で反射されたＳ偏光の色光は、次にはＰ偏光の色光となり、ダイクロイックミラー領域２６４に入射する。このようにして、ダイクロイックミラー２６で反射された色光は偏光変換素子２１と１／４波長板２３の作用で、再入射するダイクロイックミラー領域が交互に反転し、この間に所定のダイクロイックミラーを透過して色分離されることになる。
【００３４】
具体的には、赤色ダイクロイックミラー２６１で反射されたＰ偏光の緑色光は、１／４波長板２３を２回透過することで、今度はＳ偏光の色光となり、ダイクロイックミラー領域２６５側に到達する。同様に、緑色ダイクロイックミラー２６３で反射されたＳ偏光の赤色光は、１／４波長板２３を２回透過することで、今度はＰ偏光の色光となり、ダイクロイックミラー領域２６４側に到達する。赤色ダイクロイックミラー２６１で反射したＰ偏光の青色光と、緑色ダイクロイックミラー２６３で反射したＳ偏光の青色光についても同様である。
【００３５】
また、２回の往復を繰り返した色光、例えばダイクロイックミラー領域２６４の任意点で反射されたＰ偏光の色光は１／４波長板２３とダイクロイックミラー２６の間を２回往復する間にＰ偏光となり、ダイクロイックミラー領域２６４に再度入射する。しかし、ダイクロイックミラー領域２６４の前記任意点で反射された光束は、種々の角度成分を含んでいるので、途中の光路に配置したライトパイプ２４の光量分布の一様化作用によって、分散されて必ずしも同一点に戻って再入射することはない。つまり、全ての２回反射光束が２回前と同じダイクロイックミラーで反射することはない。従って、例えば赤色ダイクロイックミラー２６１で反射されたＰ偏光の青色光が１／４波長板２３とダイクロイックミラー２６の間を２回往復して、ダイクロイックミラー領域２６４への再入射の際、青色光の一部は青色ダイクロイックミラー２６２にも入射して透過することになる。
【００３６】
次に、図３を用いて図１の色分離ユニットの波長分離特性について説明する。
【００３７】
図３は偏光分離膜に対する入射光線角度と波長分離特性の関係図である。図５を用いて説明したように、光線は色分離面の法線に対して４５度±θの範囲から入射する場合は、２θの範囲で膜設計を行うため、半値波長での波長に対する透過率の変化がなだらかになってしまう。このとき、色分離もなだらかな分離となり、分離後の単色の色度値が悪くなる。
【００３８】
一方、図３（１）に示すように、垂直に配置した色分離面に対して入射角度θの光束が入射する場合、光線は色分離面の法線に対して±θの範囲から入射する。従って、回転対称なのでθの範囲で膜設計を行えば良いために、図３（２）のような特性、即ち、半値波長での波長に対する透過率の変化を急峻にできる。このとき、色分離も急峻な分離となり、分離後の単色の色度値が良好となる。
【００３９】
米国特許公開2003/095213号公報に開示されている色分離器の場合は、色分離ユニットの出射サイズに対して、色分離ユニットの入射サイズは、約１／３の面積となっている。これに対して、図１の色分離ユニッット２ａの場合では、色分離ユニット２ａの出射サイズに対して、色分離ユニット２ａの入射サイズは、１／２の面積となっている。このように、図１の色分離ユニット２ａにおける、出射サイズに対する入射サイズの比率は、米国特許公開2003/095213号公報に開示されている色分離器の比率よりも大きい。従って、図１の色分離ユニットと、米国特許公開2003/095213号公報に開示されている色分離器とで、光源ユニット１から色分離ユニットへの入射光束の集光面積及び、色分離ユニットからの出射サイズ（面積）を同じとした場合、図１の色分離ユニット２ａでは、入射開口板２２の面積に対する入射開口２２１の面積比を小さくすることができる。このように、図１の色分離ユニット２ａにおいて、入射開口板２２に戻った光束のうちの一部は、入射開口２２１から光源ユニット１側に抜けてしまうが、ダイクロイックミラー２６で反射されて入射開口２２１を通って光源ユニット１側に洩れる光束を小さくすることが可能となる。
【００４０】
以上のように、ライトパイプの入射面内側に全反射面を設け、ライトパイプの出射面側に偏光変換子と色分離素子を設け、色分離素子によって反射する光を、ライトパイプの出射面からライトパイプに再入射させる構成としている。このような構成により、偏光変換機能を有する色分離ユニットにおいて、光の再利用が可能となる。
【００４１】
また、図１の色分離ユニットでは、ライトパイプから出射された光は、第１偏光プリズムと第２偏光プリズムによって偏光光の分離を行い、二つのプリズム出射面に略平行に配置されたダイクロイックミラーで色分離および光の反射が行われるため、４５度傾斜した配置されるダイクロイックミラーまたはプリズムで色分離する場合に比べ、入射角度依存性の影響を減少させることが可能となる。
【００４２】
さらに、第１偏光プリズムと第２偏光プリズムの出射面に略平行にダイクロイックミラーが配設される構成とすることによって、第１偏光プリズムと第２偏光プリズムの出射面を合わせた面積と、ダイクロイックミラーの出射面積を等しくすることが可能となる。従って、色分離ユニットの出射面積に対する色分離ユニットの入射板面積の比率が大きくなり、色の再利用率を向上させることが可能となる。
【００４３】
さらに、図１の色分離ユニット１ａでは、ライトパイプの出射面全面に第１偏光プリズムの入射面を隣接させ、ライトパイプから出射した光全てをまず、第１偏光プリズムに入射させ、第１偏光プリズムで反射した光（S偏光光）について第２偏光プリズムに入射させる。従って、ダイクロイックミラー２６で反射した光は、例え緑色ダイクロイックミラー263で反射した光でも、第２偏光プリズム、第１偏光プリズムの順で偏光プリズムを経由して、ライトパイプに再入射する。このように、ライトパイプに再入射する場合の入射面をライトパイプ出射光全面とすることができる。再入射した光は、ライトパイプの入射開口板内側の全反射ミラーで反射し、再度第１の偏光プリズムに入射するため、その際の偏光プリズムにおける入射角依存性の影響を減少させることも可能である。
【００４４】
なお、図１の色分離ユニット２ａでは、ダイクロイックミラー２６の後に１／２波長板２１３を配置したが、光学的な機能上は、１／２波長板２１３の後にダイクロイックミラー２６を配置する構成でもよい。また、Ｓ偏光光の方向変換素子として、第２の偏光プリズム２１２の代りに、ミラー面を有するプリズムを代用してもよい。さらには、ライトパイプではなく、ロッドプリズムなどのインテグレータを用いてもよい。
【００４５】
次に、図４を用いて、色分離ユニットの他の例について説明する。
【００４６】
図４の示す色分離ユニット２ｂは、周辺光量比を考慮した色分離ユニットである。すなわち、照明光学系の光軸１００を中心として色の配分が対称でない場合に、各々の色光が多面回転体への入射する入射角の相違によって生じる光量分布のばらつきを考慮したものである。詳細については、特願２００５−１３７９８７号に開示している。従って、周辺光量比を考慮すると、照明光学系の光軸１００を中心として、Ｙ軸方向に対称に、例えば、赤色ダイクロイックプリズム２５１ａ、２５１ａ'、緑色ダイクロイックプリズム２５２ａ、２５２ａ'、青色ダイクロイックプリズム２５３ａ、２５３ａ'を配置する必要がある。
【００４７】
図４に示す色分離ユニット２ｂの偏光変換素子は、図１の偏光変換素子２１を光軸１００を中心としてＹ軸方向に対称に配置したものである。すなわち、まず、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１偏光プリズム２１１ａ、２１１ｂを、光軸を中心として、上下に配置する。第１偏光プリズム２１１ａは、Ｓ偏光の反射方向をＹ軸上方向になるように偏光作用面が配置される。第１偏光プリズム２１１ｂは、Ｓ偏光の反射方向をＹ軸下方向になるように、偏光作用面が配置される。第１偏光プリズム２１１ａ、２１１ｂの外側には、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する第２偏光プリズム２１２ａ、２１２ｂが各々配置される。
【００４８】
第２偏光プリズムに隣接する形で、ダイクロイックミラーが配設される。例えば、Ｙ軸方向の上から順に、赤色ダイクロイックミラー２６１ａ、緑色ダイクロイックミラー２６２ａ、青色ダイクロイックミラー２６３ａ、ｂ、緑色ダイクロイックミラー２６２ｂ、赤色ダイクロイックミラー２６１ｂの順に配置される。また、赤色ダイクロイックミラー２６１ａ〜青色ダイクロイックミラー２６３ａは、第１偏光プリズム２１１ａ、第２偏光プリズム２１２ｂの出射面に隣接する。同様に、青色ダイクロイックミラー２６３ｂ〜赤色ダイクロイックミラー２６１ｂは、第１偏光プリズム２１１ｂ、第２偏光プリズム２１２ｂの出射面に隣接する。また、さらにその外側の第２偏光プリズム２１２ａ、ｂの出射面に対応する位置に、１／２波長板２１３ａ、ｂが配設されている。
【００４９】
図４の例では、ライトパイプの出射面と２つの第１偏光プリズム２１１ａ、ｂの入射面が一致する構成であるため、ダイクロイックプリズム２５１〜２５３で反射した光がライトパイプに再入力する場合の角度は所定の角度以上となってしまい、全反射板２２で再反射した光が第１偏光プリズム２１１ａ、ｂに再入射する場合の角度依存性に影響する場合もある。しかしながら、図４の構成により、ライトパイプ２４から偏光変換素子２１‘に入射する光は、偏光が揃えられるとともに、色分離し、光軸１００を中心として対称の色配置で出射することとなる。このようにして、周辺光量比を考慮しつつ、図１と同様に、入射角度による色分離特性を向上させることが可能となる。
【００５０】
さらに、図４の色分離ユニットの場合、偏光変換素子２１‘の出射面の面積に対する入射面の面積の比は、１／２となり、入射開口板２２の面積に対する入射開口２２１の面積比を小さくすることが可能となる。
【００５１】
なお、図４の例では、光軸を中心として第１偏光プリズム２１１ａ、ｂを第２偏光プリズム２１２ａ、ｂが挟む形で配置したが、これに限らず、第１偏光プリズムと第２偏光プリズムを交互に配設する構成としてもよい。
【００５２】
次に、図６を用いて、色分離ユニットの他の例について説明する。図６の例では、図１や図４と異なり、偏光変換素子において、第１偏光プリズム、第２偏光プリズムの代りに、反射型偏光板２１“を用いる。反射型偏光板２１”は、例えばP偏光光について透過し、S偏光光を反射する。図６の色分離ユニット２ｃの場合、偏光板２１“でライトパイプに入射した光束のうち約半分が反射し、さらに、ダイクロイックミラー26の各々において、図１の場合と同様に反射する光が存在する。従って、図１の色分離ユニット２ｂに比べ、入射してから全ての光が色分離ユニットから出射するまでに繰り返す反射の回数が多くなってしまう。しかしながら、図６の色分離ユニット２ｃの場合は、ライトパイプの出射面、偏光板２１”の入射面、出射面およびダイクロイックミラー26の入射面、出射面を全て同じ面積とすることが可能となるため、色分離ユニット２ｃ全体の出射面に対する入射面の面積の比率が１：１とすることができ、開口部の面積を小さくすることが可能となり、光の再利用効率を更に向上させることが可能となる。
【００５３】
なお、図６に示す図では、偏光板２１“の外側、すなわち、ライトバルブ側にダイクロイックミラー26を配設する構成としたが、偏光板２１”とダイクロイックミラー26の位置は交換することができ、偏光板２１”をライトバルブ側に配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】色分離ユニットの概略構成図の一例を示す図である。
【図２】投射型映像表示装置の概略構成図の一例を示す図である。
【図３】色分離面への入射角度による色分離特性を説明する図である。
【図４】色分離ユニットの概略構成図の他の例を示す図である。
【図５】従来の色分離面への入射角度による色分離特性を説明する図である。
【図６】色分離ユニットの他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…光源ユニット、１１…光源、１２…リフレクタ、２ａ、２ｂ…色分離ユニット、２１…偏光変換素子、２１’…偏光変換素子、２１１…第１偏光分離プリズム、２１２…第２偏光分離プリズム、２１３…１／２波長板、２２…入射開口板、２２１…入射開口、２２２…全反射面、２３…１／４波長板、２４…ライトパイプ、２５…カラープリズム、２６…ダイクロイックミラー、２６１…赤色ダイクロイックミラー、２６２…青色ダイクロイックミラー、２６３…緑色ダイクロイックミラー、２６４、２６５…ダイクロイックミラー領域、３１、３３…縮小光学系、３２…光路折り曲げミラー、３３…拡大光学系（光路共通化による兼用）、４…回転多面体、５１…第１ＰＢＳ、５２…第２ＰＢＳ、６…映像表示素子、７…投射レンズ、８１…偏光板、８２…１／４波長板、８３…１／２波長板、８４…偏光板。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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